文档介绍：1 摘自《美国机械工程师协会》-动力系统测量与控制杂志使用虚拟现实技术进行包括人类环节在内的轮式装载机的建模与控制 Roger Fales , Erik Spencer, Atul Kelker , Kurt Chipperfield , Frank Wagner 爱荷华州立大学引言本文涉及到轮式装载机的动态模型,控制器设计,和基于人类环节在内的虚拟现实实时仿真。特别是,使用电液驱动的装载机。为了研究液压系统和装载机的连杆机构,我们开发出了一个详细的非线性动力模型。液压模型包含一个负荷传感泵、阀门和连接管路。而连杆模型描绘的则是一个具有举升和卸载两种功能的装载机。基于坚固控制器的线性二次高斯方程的使用则是为了通过使铲斗在支架运动时保持水平角度,从而设计出一个铲斗自动水平系统来协助操作者。在实时虚拟现实仿真系统中将通过一个非线性模型对闭环控制系统的设计进行测试。在虚拟现实仿真过程中,操作者通过操作杆的输入跟模型接触。连杆的几何结构将会通过虚拟现实显示系统显示在操作者面前。虚拟现实环境将会评估控制器的性能。正如我们所预料的,使用控制器可以对铲斗水平的准确性提供一个重大的改进,特别是在连杆运动由一个初学者控制时。虽说不能不制作原型,但是结合现实物理和动态控制的 VR 仿真却为我们提供了一个非常有用的,对原型机器依赖较少的评价液压系统和控制系统的工具。 1. 简介在工程机械的设计过程中,一个重要的步骤是测试原型与人类的相互作用。作为原型设计阶段的一部分,操作者可以将他们对机器性能,规划和人体工学等方面的感受这些很有价值的信息反馈给设计者。但是,制作原型却是一件昂贵与耗时的工作,因此,我们希望能够制作更少的原型而使用更多 2 的电脑仿真。为了不使用昂贵的原型却能从操作者那获得有价值的反馈信息, VR 仿真机器仿真在此使用是非常有效的。目前,机器概念可以在它们被当做实体认识之前在 VR 环境中进行评估, VR 执行的包括浏览以及和静态几何的互动。所以,为了能让人们能够通过使用操作杆或者其他输入装置来操作一种类型的建筑机械比如我们所认识的液压挖掘机,我们还需要做一些工作。 VR 仿真设备甚至还能跟挖掘动力系统所处的环境进行互动,在原型机被制造出来之前,这样的仿真对于开发和测试机器控制以及相关系统是极其有用的。在过去, VR 仿真的一个最主要障碍是实时仿真对计算机计算速度的要求。通过使用多计算机整合以提高整体模型的执行速度,我们已经把建造轮式装载机底盘和液压系统的工作的做完,而现代的桌面计算机则可允许我们实时进行复杂的仿真。在过去,液压驱动系统被当做当做比较先进的控制系统。例如, H2和 H_控制在这里被当做一个液压动力总成提到。类似于这里提到的一些著作, 在上述引文中,一种线性二次高斯( LQG )设计程序也曾被使用。但是,这些努力都集中于缺乏一些特性的系统上,而这些特性是在例如本文中所提到的负荷传感泵这些移动液压机械所具有的。本书的目的是建造轮式装载机的液压和控制系统模型。以便能在 VR 中使用高仿真模型对机器特性进行评估。这样可以在原型制作阶段之前作出更多的设计决定,从而减少原型机数量和减少对原型机的修改。一个真实的动力模型包括几部分,比如发动机,发动机控制系统,挖掘动力系统,轮胎, 传动系统,牵引装置,等等。但是,正如本文所提到的著作所说的,动力系统被假定只限定在装载机的电液部分和连杆上。这里有三个主要研究目的, 提出如下。首先,我们希望用轮式装载机作为一个测试案例去展示在 VR 里面进行的实时动态仿真。其次,电液控制算法被开发应用于连杆协同。最后, 是对具备人类环节的闭环控制响应在虚拟现实环境中进行论证。本书剩下部分的组织结构如下,第二部分简要的描述了轮式装载机的液 3 压和连杆动力模型。在接下来的第三部分,对控制设计过程进行讨论以及使用 LQG 控制设计方法对铲斗水平运动控制进行描述。在第四部分,给出包含人类环节在内的用 VR 进行仿真的结果,以评估闭环系统的设计能力。在第五部分,将会对如何在 VR 界面中进行实时模型仿真,以及与 VR 显示器与操作杆的互动操作进行详细的介绍。在最后的第六部分,则是结论以及对未来工作的一些讨论。图1. 装载机图 2. 模型本节侧重于当前的轮式装载机的非线性模型以及线性模型的发展。整个模型由液压和连杆动力模型构成,一个完整的非线性液压模型最初是由 Simulink(MATLAP 重要组件之一) 衍生和发展而来。连杆模型则使用 MATLA P 脚本进行描述。连杆模型随后被进行线性化并插入仿真模型中与液压系统一起。为了控制设计整个仿真模型随后将被线性化。详细的液压模型推导在书 4 [7] 给出。为了能完整些,一些重要推导部分将在这里给出。 ,液压缸和液压泵。液压模型是通过